Nano Communication Networks
关键字：
太赫兹无线通信
对数正态
伽马–伽马
指数Weibull
分子吸收
渠道建模
摘要：
在本文中，开发并研究了THz无线视线链路的通用信道模型。太赫兹波的传播分为两种主要情况，即确定性条件和随机条件。一方面，由于水蒸气和氧气引起的分子吸收被认为是对波传播的确定性影响 。另一方面，大气湍流条件以及太赫兹发射器和接收器之间的指向误差被认为是影响波传播的随机因素。通过应用众所周知的信道模型，即对数正态，伽马-伽马和指数威布尔，有效地组合了这两种情况，并研究了它们对太赫兹波传播的影响。根据不同天气条件下的误码率和信道容量，对派生信道的性能进行了研究。已经表明，通过使用高增益太赫兹反射器天线，可以具有性能可靠的无线通信链路。导出的通道模型是通用的，可以应用于任何其他天气情况，例如多雨，多雾和多尘通道。除了研究随机效应以及对太赫兹波传播的确定性影响外，考虑的模型还利用了通信系统的调制方案，因此，该结果有望作为总体链路性能的估算器。此外，它们可以用作未来THz无线通信链路的信道和链路预算估计器。
简介：
太赫兹（THz）无线通信被设想为即将商业化的最新关键无线技术之一。 由于在不久的将来需要更高的数据速率（大约每秒数十千兆位（Gb / s）和几兆兆位（Tb / s）），无线通信正在迅速发展，并且两种电子设备都非常有用 并且制造了光学透视图[1-4]。 在太赫兹频率范围内，在300 GHz以下已经证明了高达10 Gb / s的数据速率，在500 GHz以上的频率下，由于缺乏高功率源，其数据速率被限制在10 Gb / s以下[2]。 但是，在最近的一些研究中，在多通道THz无线系统中采用适当的调制技术可以实现高达120 Gb / s的更高数据速率[5]。 跟随这一趋势，太赫兹通信链路有望在未来几年出现[6-13]。
但是，太赫兹波传播通过的信道的随机行为可能会对传输的数据产生破坏性影响。 由于分子吸收，太赫兹波遭受相对较高的衰减，特别是在水蒸气和氧气的存在下。 水蒸气对太赫兹波的传播起主要作用，因为它具有从毫米波到10 THz范围内的数千条旋转吸收线[14]。 同样，氧气在60 GHz时具有大约25条重叠线的簇，在120 GHz时具有一条单线[14,15]。 除了共振旋转或振动线，还有一种称为连续吸收的附加吸收，它是由线形的远端引起的，并已在许多实验研究中进行了评估[14,16]。 也有一些类似的研究，其中表征了太赫兹波在大气中的传播，主要是基于分子吸收[17-20]。
最近，通过实验表明，太赫兹脉冲可以传播长距离，直至大约1 km [21,22]。这些研究是未来THz无线链路的非常有前途的开拓者。在通过大气雾[23,24]，尘埃[24]，雨水[25]和湍流[26]传播的过程中，太赫兹波的特征也很相似。但是，仍然缺少用于衰减与视线（LOS）通道中大气随机行为的组合效应的通用通道模型。在[26]中，作者证明了湍流会影响太赫兹信号的传播。在文献[26]中，传播的总路径约为1 m，因此湍流效应可以忽略不计。但是，在长距离传播中，湍流的影响将不可忽略，必须使用适当的数学模型进行考虑和建模。这些模型有助于更好地估计THz链路预算，并适当选择所需的设备（例如发射和接收天线）以建立无线链路。
在本文中，我们将介绍THz LOS在不同天气条件下传播的一般信道模型。使用这样一种通用模型，也可以正确估计信道行为和所需的设备，以使发送器和接收器之间的连接不会断开。由于太赫兹波在自由空间中传播的高损耗和太赫兹源的低功率，对太赫兹通信的研究主要集中在短距离室内电信上[15,27]。然而，由于对大容量信道的需求，对户外太赫兹通信的研究也越来越受到关注。关于信道建模的研究很少，其中研究了不同天气条件对太赫兹波传播的影响。在[28]中，作者已经研究了太赫兹波在雨雾通道下距离不超过1 km的固定无线链路中的适用性，并表明如果仅使用发射器和发射器，则可以通过此类链路传输高数据速率。接收器天线具有很高的增益。与[28]类似，在[29]的基础上，基于实验结果研究了由于温度和湿度引起的振幅和相位波动对大气湍流的影响。但是，一方面，没有考虑这种长距离链路在雨雾减弱和空气湍流随机性共同作用下的一般行为。此外，发射机和接收机天线之间指向错误的随机行为是影响无线链路整体性能的另一个主要因素，需要在信道建模中加以考虑。另一方面，在实际情况下，无线通信系统的整体性能不仅受到信道的影响，还受到诸如调制方案之类的其他系统组件的影响。结果，对于无线通信系统建模，必须开发更通用的信道模型。
在本文中，我们将使用迄今为止最可接受的强度波动模型，即对数正态（LN），伽玛-伽玛（GG）和指数威布尔（EW）模型。 LN模型适用于弱湍流条件，而GG和EW模型适用于中度到强湍流条件。我们将应用这些模型来比较THz波传播通过的信道的不同情况，并且我们将研究该信道的平均误码率（BER）和平均容量。值得注意的是，最近开发了更通用的湍流衰落通道模型，例如M分布和S分布。 M分布是LN和GG模型的更通用模型。为了更好地对M分布模型中的LN分布进行建模，提出了导致S分布的高斯逆分布。由于通用模型是基本LN和GG模型的组合形式，并且我们的目标是比较每个基本模型获得的结果，因此我们使用LN和GG模型。这也使我们能够比较从EW模型获得的结果与LN和GG模型获得的结果。
我们的分析将由两个主要场景组合在一起，即静态衰减和随机衰减。我们将为我们的研究考虑具有开/关移位键控（OOK）强度调制直接检测（IM / DD）的系统，该系统因其可用的自由空间光学（FSO）和THz无线链路而被广泛接受简单和低成本[35]。
这项工作与FSO通信的现有工作之间的最大区别在于模型中确定性损失的贡献，并推导了能够描述不同天气状况的更通用的模型。
本文的其余部分安排如下：在第2节中，我们将介绍系统模型和可用的通道模型。本节介绍确定性场景和随机场景。此外，本节还推导了不同通道模型的组合概率密度函数（PDF）。第3节和第4节紧随第2节，分别表示不同信道模型的BER和信道容量。数值结果和讨论在第5节中进行了介绍，在第6节中对THz和FSO链接进行了比较，最后第7节对本文进行了总结。
FSO和THz链路之间的平均误码率比较：
为了比较在相同湍流条件下太赫兹和FSO链路之间的BER性能，我们考虑来自[47]的示例。考虑到[47]中给出的弱湍流条件，Rytov方差为σ2 R = 0.15，我们可以得出375 m FSO链路的BER性能（[47]图1），其链路参数（包括通道和未对准）参数[47]中给出的参数，在780 nm波长下工作。我们还考虑了300 GHz链路的相同链路距离和Rytov方差。其余参数（包括孔径和失准参数）与第5节相同。值得注意的是，太赫兹链接也受到分子吸收的影响，我们在这里考虑了这些因素来推导太赫兹链接的性能。图12显示了在相同湍流条件下THz和FSO链路的BER性能。可以看出，随着THz链路中发射器/接收器天线的增益增加，THz链路的BER性能将比FSO链路好得多。但是，由于太赫兹链路由于水蒸气而遭受额外的分子吸收，因此其性能会随着天线增益的降低而急剧下降。
结论：
本文研究了太赫兹无线视距（LOS）链路的通用信道模型。将不同的大气湍流条件以及不同的大气分子条件组合在一起，并基于众所周知的通道模型（即对数正态（LN），伽玛-伽玛（GG）和指数威布尔（ EW），已开发的。信道性能已根据平均误码率（BER）和平均信道容量进行了评估。大气天气条件对链路性能的影响分为两种主要情况，即确定性衰减和随机衰减。然后，通过应用可用的通道模型将两种效果结合在一起。已经表明，即使在发射机和接收机之间具有指向误差的链路中，如果利用两侧的高增益定向天线，也可以获得良好的性能。这项工作为链路预算估算和太赫兹无线通信链路的未来实现提供了一个综合模型。
